隧道CRD工法中臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響研究

文 輝 孫 壽

(中交隧道局第二工程有限公司,陜西 西安 710007)

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隧道CRD工法中臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響研究

文 輝 孫 壽

(中交隧道局第二工程有限公司,陜西 西安 710007)

以某左右線分離式四車道隧道洞口段為例，建立了三維數(shù)值仿真模型，對(duì)采用4步CRD法施工時(shí)臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，研究表明，CRD法分部開挖時(shí)，掌子面縱向位移隨分部開挖臺(tái)階長(zhǎng)度增大而減小，臺(tái)階長(zhǎng)度增大有利于掌子面穩(wěn)定。

隧道工程，CRD工法，臺(tái)階長(zhǎng)度，掌子面穩(wěn)定性

0 引言

某左右線分離式四車道隧道洞口段埋深20 m～30 m，地面坡度較緩。洞口段圍巖為殘坡積、沖洪積碎石層，土體松散，粘結(jié)性差，遇水極易坍塌，同時(shí)隧道位于河床線以下，隧道圍巖地下水富集。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程案例，并經(jīng)分析后確定采用4步CRD法施工。主要支護(hù)參數(shù)為：初期支護(hù)25 cm厚C20噴射混凝土，Ⅰ20工字鋼間距50 cm。系統(tǒng)錨桿:φ42小導(dǎo)管，L=3.5 m，環(huán)向間距1 m。二次襯砌：55 cm厚C45S8防水混凝土。

從國(guó)內(nèi)外一些類似工程，尤其是廈門翔安隧道建設(shè)過程看，在富水、地層軟弱等困難條件下修建大跨度隧道，即使采用工序較為復(fù)雜、安全性相對(duì)較好的CRD法，施工中也面臨諸多挑戰(zhàn)，其中重點(diǎn)和難點(diǎn)為預(yù)防和控制坍塌、支護(hù)結(jié)構(gòu)的大變形、開裂以及沉降過大等。以下重點(diǎn)就掌子面穩(wěn)定性及相關(guān)影響因素等方面的研究進(jìn)行介紹。

1 隧道掌子面穩(wěn)定性分類

根據(jù)巖體強(qiáng)度、拱部效應(yīng)、圍巖變形、掌子面應(yīng)力狀態(tài)等，隧道掌子面穩(wěn)定性可分為：

1)整個(gè)掌子面穩(wěn)定；2)隧道掌子面短期穩(wěn)定；3)掌子面巖體過度松弛，不穩(wěn)定。隧道掌子面穩(wěn)定分類如表1,圖1所示。

由圖1可看出，隧道掌子面穩(wěn)定狀態(tài)與掌子面的擠出位移和拱頂沉降等變形指標(biāo)有密切關(guān)系。掌子面的縱向擠出位移過大，通常預(yù)示著隧道掌子面穩(wěn)定狀態(tài)的改變，即，掌子面由短期穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，如圖2所示。

2 臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

在軟弱地層中進(jìn)行CRD法施工，需要合理確定各開挖面之間的間隔距離，即臺(tái)階長(zhǎng)度。既有施工實(shí)踐表明，支護(hù)參數(shù)不變的情況下，隧道全斷面支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短直接決定了支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的最終變位值，縮短臺(tái)階長(zhǎng)度，及時(shí)對(duì)各開挖面支護(hù)封閉成環(huán)，可降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的總沉降量，有利于支護(hù)體系的安全穩(wěn)定；同時(shí)，臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)滿足掌子面穩(wěn)定以及施工作業(yè)的需要，不宜過短。

為此，就臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面穩(wěn)定的影響情況進(jìn)行對(duì)比分析。臺(tái)階長(zhǎng)度選取1 m～15 m等10個(gè)工況，采用三維有限元模型進(jìn)行分析，分析模型如圖3所示(圖中臺(tái)階長(zhǎng)度6 m)。

表1 隧道掌子面穩(wěn)定性分類

分析表明，因地層軟弱，在分部臺(tái)階開挖時(shí)，存在掌子面穩(wěn)定性較差的問題，以下采用擠出位移作為指標(biāo)，如臺(tái)階長(zhǎng)度2 m工況，下臺(tái)階開挖完成后，掌子面擠出位移情況如圖4所示。

從圖4可看出，超短臺(tái)階時(shí)，掌子面附近的上、下臺(tái)階實(shí)際是一起聯(lián)動(dòng)的。為更清楚顯示上、下臺(tái)階掌子面的位移，將隧道掌子面前方圍巖單獨(dú)取出，并做適當(dāng)剖面，如圖5所示。由圖可以看出，在不采取措施的情況下，掌子面整體向外擠出，下臺(tái)階位移明顯大于上臺(tái)階；上、下臺(tái)階擠出位移呈現(xiàn)為“鼓肚”形狀。

由上可見，上、下臺(tái)階掌子面中部是隧道CRD開挖時(shí)分部掌子面縱向擠出位移較大的部位，選取該位置典型節(jié)點(diǎn)的縱向擠出位移作為掌子面穩(wěn)定性的指標(biāo)，則CRD法施工時(shí)，臺(tái)階長(zhǎng)度不同時(shí)，該位置擠出位移變化情況如圖6所示。

從圖6可看出：

1)CRD法分部開挖時(shí)的臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)有直接影響。

2)掌子面縱向位移隨分部開挖臺(tái)階長(zhǎng)度增大而減小，臺(tái)階長(zhǎng)度增大有利于掌子面穩(wěn)定。但臺(tái)階長(zhǎng)度增至某范圍時(shí)，臺(tái)階效應(yīng)開始減弱。

本工程臺(tái)階長(zhǎng)度比較適合的距離是1倍開挖跨度，因此，此時(shí)上、下臺(tái)階開挖的相互影響較小，有利于上臺(tái)階施工時(shí)的掌子面穩(wěn)定。同時(shí)，1倍開挖跨度的臺(tái)階長(zhǎng)度(6 m左右)，能滿足開挖和支護(hù)等小型機(jī)械作業(yè)要求。

3 結(jié)語

本文利用三維隧道專用FEM分析軟件MIDAS/GTS就CRD施工時(shí)臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響進(jìn)行了分析和研究，主要結(jié)論如下：

1)隧道施工過程中，根據(jù)巖體強(qiáng)度、拱部效應(yīng)、掌子面變形和應(yīng)力情況等，隧道掌子面狀態(tài)可分為穩(wěn)定、短期穩(wěn)定、不穩(wěn)定等三類狀態(tài)，掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)與掌子面縱向擠出位移、拱頂沉降等變形指標(biāo)直接關(guān)聯(lián)，可根據(jù)掌子面擠出位移大小對(duì)其穩(wěn)定狀態(tài)作定性評(píng)價(jià)。

2)CRD法分部開挖時(shí)的臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)有直接影響。掌子面縱向位移隨分部開挖臺(tái)階長(zhǎng)度增大而減小，臺(tái)階長(zhǎng)度增大有利于掌子面穩(wěn)定。從掌子面穩(wěn)定性、小型機(jī)械作業(yè)要求等因素考慮，本工程CRD法施工時(shí)，臺(tái)階長(zhǎng)度比較適合的距離是1倍開挖跨度。

[1] 汪小敏,黃宏偉,謝雄耀.軟弱圍巖隧道施工三維有限元分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(6):1114-1118.

[2] 郭桃明,李德武,宋 妍.核心土對(duì)軟弱圍巖隧道掌子面穩(wěn)定性的影響[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,26(6):34-37.

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The influence research on step length to tunnel face stability in tunnel CRD method

Wen Hui Sun Shou

(CCCCTunnelBureauSecondEngineeringLimitedCompany,Xi’an710007,China)

Taking a left-right lines separate four lane tunnel portal section as an example, this paper established 3D numerical simulation, researched the influence of step length to tunnel face stability using four step CRD method construction, the research showed that the CRD method subsection excavation, the longitudinal displacement of tunnel face subsection excavation increased with step length, the step length increased conducive to the stability of tunnel face.

tunnel engineering, CRD method, step length, tunnel face stability

1009-6825(2017)17-0153-03

2017-03-13

文 輝(1982- )，男，工程師

U455

A